光伏发电并网系统虚拟仿真实验项目建设与实践

    焦岳超　瞿博阳　张朋　肖俊明　武明义

    

    

    

    摘? 要 针对新能源发电与并网技术课程实验教学设备不能满足教学需求的问题，构建光伏发电并网系统虚拟仿真实验项目。首先，通过StarSim软件搭建仿真电路模型;其次，通过设置太阳辐照度、电池组件并联组件数，改变光伏发电功率;最后，采用Boost升压斩波电路，调节光伏阵列的端电压，进而实现光伏阵列的最大功率点跟踪。

    关键词 光伏发电并网系统;虚拟仿真实验平台;StarSim

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）04-0123-03

    Construction and Practice of Virtual Simulation Experiment Pro-ject of Photovoltaic Power Generation Grid Connected System//JIAO Yuechao， QU Boyang， ZHANG Peng， XIAO Junming， WU Mingyi

    Abstract Owing to the problem that the experimental teaching equip-ment of new energy generation and grid connected technology cannotmeet the teaching requirements， a virtual simulation experiment pro-ject of photovoltaic power generation grid connected system is con-structed. Firstly， the simulation circuit model is built by StarSim soft-ware. Secondly， the photovoltaic power is altered by setting the solar?irradiance and the number of parallel components of the battery com-ponents. Finally， the boost chopper circuit is used to adjust the termi-nal voltage of the photovoltaic array to achieve the maximum power point tracking of the photovoltaic array.

    Key words photovoltaic power generation grid connected system; virtual simulation experiment platform; StarSim

    1 前言

    近年来，光伏发电产业的迅猛发展对光伏发电技术人才提出迫切需求。为满足人次需求，支持中原区域经济发展，高校应培养储备工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才，满足当前新旧功能转换和新工科发展的人才培养需要[1-2]。因此，中原工学院电氣工程及其自动化系设置了新能源发电与并网技术课程，其主要内容涉及光伏发电和风力发电并网技术等[3]。由于光伏发电系统成本相对较高，电压等级也存在高危险性，影响了实践教学的安全性。而采用纯虚拟仿真虽然能方便地模拟光伏发电系统，但没有实际的输入与输出接口，具有非常多的局限性。随着计算机、电力系统建模等新技术的发展与应用，通过采用实时虚拟仿真装置，模拟实际系统的运行特性，不仅利用了软件建模的灵活性，也具有替代实物系统的能力，进而保障实验教学的高安全性、高度还原性和可重复性，有利于交叉学科驱动发展[4]。

    2 实验原理

    光伏电池发电原理是基于半导体的光生伏特效应，当能量大于硅禁带宽度的光子入射到p-n结处，将会在结区及结附近的空间区域激发产生电子—空穴对。在p-n结内建电场作用下，光生电子和空穴被迅速分离，并在电池两端出现异号电荷的积累，产生光生电压，这就是光生伏特效应。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有光生电流流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成可以付诸实用的电能。太阳能电池的伏安特性是非线性的，受到外界光照强度、环境温度等多种因素的影响。

    光伏发电并网系统是将光伏阵列产生的直流电经过逆变产生交流电，并经升压变压器最终实现和大电网的连接。其并网系统主要由光伏阵列、逆变器、公共电网等组成。本虚拟实验的光伏发电并网系统由光伏阵列、Boost直流变换、逆变器、滤波、电网等部分组成。

    太阳电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，输出功率也会产生很大的变化。为使负载获得最大功率，让光伏电池运行在最佳状态，需要恰当地调整电池的端电压。该系统使用Boost斩波电路来实现最大功率点功率跟踪控制，通过驱动Boost电路开关管的导通与断开，调整占空比来控制输出电压。根据光伏电池的输出特性，利用控制策略保证光伏电池工作在最大功率输出状态，就能最大限度地利用太阳能。

    MTTP常采用的算法是扰动观察法，基本原理是实时地采样光伏电池的输出电压和电流，计算出输出功率Pn，每隔一个固定的间隔时间与上一功率Pn-1相比，根据功率变化量的正负决定扰动方向：当ΔP>0时，继续按原来的方向调整;当ΔP<0时，则按相反的方向调整。这样就保证了光伏电池的输出功率向增加的方向变化，如此反复地扰动、测量与比较，直到实现最大功率点跟踪。

    3 实时虚拟仿真实验平台的架构

    本实验平台是基于FPGA的实时仿真技术和通用可靠的NI硬件开发的一种虚拟仿真实验装置组建而成。系统组成如图1、图2所示，可用来完成电气相关专业的本科生、研究生的实验教学与科研活动;拥有具有开发和服务功能的虚拟仿真软件，如StarSim、StarSim HIL、StarSim RCP、LabVIEW、MATLAB等。

    光伏发电并网系统仿真拓扑如图3所示。光伏发电系统仿真电路从左到右依次是光伏电池模型、滤波电容器、电压表、Boost斩波升压电路、直流侧电压表、逆变器、三相滤波电感、三相电压电流表、负载模型、传输线模型以及等效主电网模型。

    本虚拟实验仿真所用到的光伏电池板为20个并联的光伏电池组，每个电池组又包含35个串联的电池，单个光伏电池的输出电压的初始值设为15 V;外部等效系统电压为380 V，频率为50 Hz;滤波电容C设定为0.001 F。对照光伏发电并网系统的拓扑图，该实验初始参数设置为：直流侧滤波电容为0.001 F，初始电压为450 V;L=0.005 H;C=0.001 5 F，初始电压为100 V;三相滤波电路R=0.01 Ω，L=0.002 2 H;负载R=7.5 Ω，L=0.002 H;变压器低压侧为D1接线，线电压有效值为380 V;变压器高压侧为Y接线，线电压有效值为10 000 V;电网电压为10 kV，频率为50 Hz。

    在光伏发电并网系统最大功率点跟踪虚拟仿真实验教学中，首先采用多媒体讲授太阳电池发电原理、光伏发电并网系统组成、最大功率跟踪技术等;然后讲解本虚拟仿真系统组成及软件使用注意事项、实验操作流程、实验注意事项;其次，通过StarSim软件搭建仿真电路模型，打开StarSim HIL的Running Models页面，设置辐照强度为800（W/m2），电池组工作温度为25 ℃;再次，点击运行按钮，开始系统电路仿真的运行;最后，依次改变辐照度大小，观察功率曲线变化趋势，同时加入MPPT跟踪，观察最大功率点变化情况和功率曲线变化趋势，记录实验数据，总结虚拟仿真实验结果，撰写实验报告。

    通过虚拟仿真实验平台，学生能在StarSim Editor软件上自主设计并搭建光伏发电并网系统，并通过仿真实验平台将光伏发电系统实时仿真运行，直观体会StarSim软件在电力电子虚拟仿真实验中的优势，熟悉基于FPGA的实时仿真技术和通用可靠的NI硬件开发的虚拟仿真实验系统，完成电气相关专业的实验教学活动。

    4 实验教学项目特色

    虚拟仿真实验项目建设的必要性及先进性? 光伏发电并网系统最大功率点跟踪虚拟仿真实验是针对电气工程及其自动化专业的新能源发电并网真实实验教学中工程实验费用高、实验环境电压等级高、电力电子器件功率大，存在安全隐患等，研发的虚拟仿真教学系统。其特色是将虚拟仿真实验教学与原有实物实践教学相结合，创建“以实为本、虚实结合”的满足专业实验、专业实训等要求的综合实践教学体系，形成以虚拟仿真实验拓展真实实物实验的绿色实践教学。

    实验方案设计思路? 光伏发电并网系统最大功率点跟踪虚拟仿真实验的总体目标是改革传统的实验教学模式，能让教师通过网络对整个实验教学过程进行管理、辅导和监控;让学生在线自主接受教师的辅导，完成实验。虚拟实验项目分别设立教师模块和学生模块：学生模块具有功能完善的虚拟仿真实验教学平台，供学生完成实验项目学习、实验仿真、实验结果分析等内容;教师根据教学要求对实验项目进行设置和更新，对学生信息进行设置与查询，能通过网络批改学生的实验报告及反馈成绩，能对学生留言进行管理。

    教学方法? 通过多媒体课件、电脑上机操作、实验现场讲解等手段，指导学生进行虚拟操作。通过仪器介绍、虚拟操作、实践考核等方式，让学生在规定的时间内完成实验教学模块内容。

    评价体系? 光伏发电并网系统最大功率点跟踪虚拟仿真实验设置在线交流模块，其内容包括提问管理、在线交流和自由社区。通过提问管理，教師可以回复学生的提问。在线交流和自由社区可以实现校外用户和学生对光伏发电并网系统最大功率点跟踪虚拟仿真实验的评价。同时逐步建立及完善虚拟方案实验教学的质量保证体系，在完善新形势下实验教学体系的前提下，逐步完善实验教学制度，增强学生动手能力和创新意识，培养创新型人才。

    传统教学的延伸与拓展? 电气工程及其自动化专业是一门理论性和实践性都很强的学科，在构建虚拟仿真实验教学体系后，借助虚拟仿真实验平台，学生可以接触到实际的控制设备，学习信号采集、PWM脉冲发生等实际的硬件知识，通过动手配置、连线、调试，利用示波器观察控制侧或仿真侧真实的信号等。

    面向社会的推广与持续服务计划? 随着光伏发电成本的降低和并网技术的成熟，光伏发电正在走入普通老百姓家庭。首先，将本项目作为践行绿色环保、低碳生活的典型实践方案面向社会宣传，了解低碳节能的重要性，培养节约能源的习惯，增强社会责任感;其次，加强与企业合作，作为光伏发电并网技术继续教育的有效培训手段，提升新能源发电技术知识储备，提高人才培养质量。

    5 结语

    通过构建实时虚拟仿真实验平台，实现光伏发电并网系统模拟实训。使用该实验教学平台，有利于培养学生的操作能力、分析调试能力、设计能力和创新意识，以达到更好地培养学生的目的。同时，该平台支持设计型、研究型创新实验的开展，适应创新型人才和卓越工程师的培养需要，培养具有丰富实践动手能力和创新精神的高级复合型工程技术人才。

    参考文献

    [1]吴爱华，杨秋波，郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革[J].高等工程教育研究，2019（1）：1-7，61.

    [2]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

    [3]焦岳超，瞿博阳，肖俊明，等.新能源发电与并网技术课程建设与教学改革[J].中国教育技术装备，2017（8）：91-93.

    [4]杜彦敏.基于虚拟仿真技术的实验教学中心建设研究[J].教育教学论坛，2018（15）：273-274.

    项目来源：中原工学院2019年度校级虚拟仿真实验教学项目;河南省教育厅2019年度大中专院校就业创业课题“‘人工智能+新工科教育视角下的高等院校创新创业人才培养模式和实践研究”（课题编号：JYB2019020）;河南省教育科学“十三五”规划2019年度一般课题“‘人工智能+新工科教育视角下测控技术及仪器专业创新创业教学模式和实践研究”（基金号：〔2019-JKGHYB-0099〕）;2019年河南省高等学校青年骨干教师培养计划“基于云计算城市道路路况预警与自动处置系统关键技术研究”（项目编号：2019GGJS148）。

    作者：焦岳超，中原工学院电子信息学院电气工程及其自动化系，副教授，研究方向为光伏发电及其并网技术、机器学习;瞿博阳、张朋、肖俊明、武明义，中原工学院电子信息学院电气工程及其自动化系和测控技术及仪器系（450007）。